來自建筑師的關愛：科研建筑設計隨筆

劉衛綱

摘要：作者通過文章闡述科研建筑的使用者除了對建筑空間的功能需求外，對精神需求也是同等重要的，宜人的建筑空間對于改善科研人員的工作狀態，甚至對于激發科研人員的靈感都有著積極的作用。

關鍵詞：科研建筑試驗環境科研人員

中圖分類號：TU244

文獻標識碼：B

文章編號：1004－8537(2006)12－0028－06

縱覽我國現存的大量1980年代以前設計的科研建筑實例，其建筑功能的組織和處理是比較成功的，但是，也不難發現，科研建筑的真正主人——科研人員在這些實驗室、研究室里沒有充分得到來自建筑師的關愛。當時的科研建筑的營造目的主要是高效、經濟地取得科研成果。面對這樣的科研建筑，科研人員和建筑師都漸漸習以為常。直到改革開放10年后，科研人員、科研機構的領導者、建筑師們有機會走進發達國家的科研機構，才發現科研建筑也可以如此舒適宜人、環境優美。

功能的合理性、適用性對于科研建筑來說無疑是最為重要的，但是科研人員的精神需求同樣是不能被忽視的。我們正處在一個新的科研建筑建設高峰期，新一批的科研建筑設計不應再留下遺憾。筆者近年來主持過多項科研建筑項目的設計工作，以下是在這些工程中的一些體會，希望借此機會與大家交流。

中科院化學所分子中心實驗樓

1999年10月，有機會參與了中國科學院化學所分子科學中心實驗樓的設計工作。在設計工作開始初期，中科院化學所的甲方安排我們的設計組參觀了中科院現有的實驗室，這些實驗室幾乎無一例外的以實驗設備為中心，狹窄昏暗的走道、低矮的層高、較差的通風、采光條件，很難想象這樣的實驗環境是我國的國家級試驗基地。同時，我們搜集了大量的國內外科研建筑資料(圖1～圖10)，在對資料比較和研究之后，發現國內現有的科研建筑和國外同類設計存在著很大差距。差距主要在于對于科研人員工作方式的研究，交流空間的塑造、細節的處理等方面。通過這些實例，我們開始研究提高科研建筑舒適度的方法，并在這次設計中進行了嘗試。

圖4、圖5、圖6、圖9

中科院化學所分子中心實驗樓是中科院的重點工程，項目的建設目標是建成國內一流的化學試驗中心及分子科學研究中心。項目總建筑面積16808m²，地上4～10層，地下1層，主要功能有大型儀器實驗室、有機固體實驗室、工程塑料實驗室、光化學實驗室、納米科學實驗室、高分子物理實驗室、潔凈實驗室、低溫實驗室、高壓實驗室、各?？蒲芯渴?、院士辦公室、行政辦公室、會議室、科普展廳等，以及配套服務的各種機電用房、衛生間、垃圾間等。我們在和中科院化學所甲方的溝通過程中逐步達成了共識——實驗室的設計應以科研人員為本，建筑空間不能僅僅停留在滿足試驗的需求上，要塑造能夠疏解壓力的科研環境和豐富的交流空間(圖12、14)。

為了達到設計目標，我們從多方面入手，嘗試了多種處理辦法，下面是其中主要幾點

①在研究區，將辦公室的進深減小到6．6m，進一步改善辦公室的自然通風、采光條件：加寬走道寬度，使走廊變得明亮寬敞，并像學校走廊一樣，在走廊內設置了個人儲藏柜，方便了研究人員的日常生活。在走廊內設宣傳欄、展示架，增加科研人員交流機會。各層設置閱覽室、咖啡廳等交流空間，為科研人員創造橫向交流的條件，同時提供放松的場所(圖13)。

圖11～圖13

②在實驗室、研究室南側設置室外陽臺，使研究人員在工作之余能夠便捷的接觸到室外新鮮空氣和陽光。

③建筑內外裝修采用明快的色彩，使科研人員身心愉悅。

④建立建筑內部的標識系統，便于各部門之間的識別和查詢。

⑤在裙樓的設計中，采用了共享空間門廳的方案，使進入科研樓的人員有豁然開朗的第一感覺。

為確保實驗室有良好的自然通風，采光條件，建筑主體選擇了南北向的板式形式，實驗樓的進深也控制在合理范圍內，爭取自然采光，降低能源消耗。平面中采用了中走道模式，走道兩側是兩排通風豎井，豎井再往外就是標準的實驗單元，通風豎井的集中排布，提高了平面的使用效率。

實驗室內的通風柜可以通過風道將實驗廢氣排進通風豎井，進而排向屋頂的排風煙囪，將廢氣對環境的影響降到最低。

通過對現有資料的分析，可以確定7．5m×6．6m是比較理想的柱網模數。這一尺寸是根據實驗臺寬度、實驗區寬度、過道寬度等基本尺寸推算而來的，基本能夠涵蓋化學實驗和物理實驗的布置模式。方案中以7．5m×6．6m的建筑空間為一個標準的實驗單元，并要求機電專業在每個標準試驗單元內預留相同的通風、供電、網絡、電話、光照、上下水的條件，通過不同組合可以形成靈活多變的各學科實驗室，為將來的科研課題變化提供了條件，實現了實驗室的可持續發展(圖11)。

方案中將主樓平面西側的實驗區和東側的研究室區嚴格分開，并且在實驗區和研究區之間，設置了南北貫通的走廊，形成了良好的通風條件，這樣即使有部分實驗室廢氣彌散到走道，也會被走廊的“穿堂風”帶到室外，有效地保護了研究區。

在施工圖設計中，我們發現方案中仍存在不足之處，例如：實驗室內保證試驗安全的細節設計、垃圾處理、廢氣、廢物處理及清運等等。而對于科研人員的真正關愛也正體現于這些細節當中。其中，解決實驗室安全方面的問題是施工圖設計的一個重點，以下幾點是比較有代表性的：

①實驗室內的安全監控：在實驗室門、隔墻設置觀察窗，保證實驗室內視線通暢，做實驗的科研人員彼此之間可以相互監護，減少了因疲倦或疏忽造成的事故。在部分必須封閉的實驗室內，如高壓實驗室、低溫實驗室內設置了閉路電視監視系統，使實驗室外人員隨時能觀察試驗進展情況，避免事故發生，事故發生后的及時處理。

②實驗室發生有害液體噴濺事故后的處理：為了避免試驗中實驗液體噴濺后造成人員傷害，在實驗室內設置了緊急沖洗裝置(盡快稀釋有害液體的濃度是十分有效的初期處理辦法)。因此，在施工圖設計中，實驗單元內設置了腳踩式的可上翻的出水口，在實驗單元門口還設置了緊急淋浴裝置，在門的一側設置了應急開關，在發生大面積噴濺時可以使用，將對人員的損傷降到最低。

③實驗室內藥品的存放：實驗室內對化學藥品、試劑的管理是十分重要的，有部分是要低溫存放的；有部分是要避光的，有部分是有揮發性的。這樣就要求藥品柜不僅有密封條件，還要設置排風裝置。對于需要持續低溫存放的藥品，還要保證冷藏柜的不間斷供電條件。對于劇毒、易爆的藥品更要設專門存放處和監控設施。

④化學實驗需要的通風柜的設計：在分子中心實驗樓內有大量的化學實驗室，根據實驗要求需要安排大量的通風柜。這些通風柜帶來的問題是噪音和實驗室負壓，以及大量的通風豎井占用建筑空間。大量的通風柜是化學實驗室的一個共

同特點，這項設計需要建筑、結構、機電多專業共同協作完成。其中，為了降低噪音，設計中將近80臺排風機集中設置在屋頂機房，并做了減震和隔聲處理，在排風豎井內壁貼巖棉，起到吸聲作用。為了解決開啟通風柜造成的負壓問題，實驗室門均設有百頁，并通過吊頂內風道向實驗室內補風。通風柜設有信號線和大樓中控機房相連，中控機房能夠收集各層通風柜開啟使用情況，并調整各層送風機房送風機的補風量，從而解決實驗室內的負壓問題。這些處理辦法使實驗環境進一步得到改善。

在分子中心實驗樓項目上，我們在方案中的設想基本得到了實現。目前，該項目已經投入使用近4年，從使用情況上來看，基本滿足了科研工作的需要。經過多次工程回訪，和工作人員交流，各種設計設想慢慢得到了印證，這其中有經驗，也有教訓。對于建筑內交流空間的處理是比較成功的，科研人員普遍表歡迎；科研人員對于實驗室環境表示基本滿意，認為實驗室內的腳踩式水龍頭很實用，因為實驗時經常需要沖洗試驗器皿，腳踩式的比較方便，通風柜的設計也比較成功，使用效果較好，研究區一側的室外陽臺使辦公環境更加舒適，可以看到科研人員中午在陽臺休息以及做工間操等室外活動。但是，同時也提出不足，例如實驗室門下設百頁，隔音不好；南側連通的室外陽臺不是很實用，因為實驗室要求一定的清潔度，不能經常開關陽臺門，這樣陽臺的使用率就不高。

在分子中心實驗樓的整個設計過程中，我們和科研人員試著進行著交流和溝通，得到了大量第一手資料，總結了多方面的經驗和教訓，為接下來的項目設計提供了依據(圖15～19)。

國家納米科學中心

在做國家納米科學中心大樓設計時，由于有了分子中心實驗樓的設計經驗，少走了不少彎路。國家納米科學中心是中國科學院和教育部聯合組建的國家級科研單位，研究方向以納米技術的實際應用為主?？偨ㄖ娣e13550m²，地上主樓10層，配樓5層、地下2層，建筑檐口高度45m。主樓地上西側是實驗室，東側及配樓是研究室、辦公室及會議室，主樓地下兩層是超凈實驗室及輔助用房，配樓地下兩層是變配電室、空調機房及泵房(圖23、24、25)。

圖20～圖22

這個項目的地上部分功能設置和分子中心很接近，因此在平面設計方面采用了相近的布局方案。納米中心以材料科學研究為主，也有需要通風柜的化學類試驗室，通風豎井的設計延續了分子中心的方法。對于科研人員的交流空間、休息空間的關注還是一如既往，陽臺的設計上吸取了上一次的教訓，只在研究室一側設置了陽臺。這個項目最大的難點也是和分子中心的不同點在于，納米中心地下設置了一個600m2的超凈實驗室潔凈度為外側走廊萬級、實驗室內部為千級、中心內部設百級試驗臺，而且在超凈實驗室內還設置了需要防微震的電鏡實驗室。在這超凈實驗室設計中，相關專業設計院提供了技術支持，我們關注的重點則放在超凈實驗室的安全疏散和功能組織方面(圖21、22)。

超凈實驗室部分可以分為灰區(與外界聯通的區域)和潔凈區本項目采用外設環形參觀走道，內部設獨立超凈小室的平面結構。這種方式既有利于減少外界對超凈實驗室的影響，在發生故障時又可關閉個別獨立小室，將損失降到最低。從樓電梯到地下1～2層的超凈實驗室可以通過灰區內樓梯相互聯系。從中部的交通核心通向超凈實驗室是一條近40m長的通道，這條通道的作用是使外來者攜帶的灰塵在進入超凈實驗室前充分下落，在通道附近還設置了存衣間，避免大量灰塵進入灰區。地下2層超凈實驗室內的RIE實驗室在實驗過程中會使用部分有毒氣體，考慮到試驗時操作失誤的可能性，在主樓地下室的北側設置了一部專用疏散樓梯，直通室外，另借用主樓西側的樓梯在首層直通室外，并通過氣體泄漏監控裝置聯動關閉超凈實驗室其他通向大樓的疏散門，避免毒氣泄漏到大樓內部(圖20)。

超凈實驗室內有大量防震要求較高的實驗設備，為解決這一問題，本項目采取了兩方面措施：一是為實驗設備做隔振基礎，采用多層杯形隔振基礎(混凝土結構之間填充隔振材料)；二是將震動源盡量放置在配樓地下室內，通過結構斷開實現隔振，部分放置在主樓地下的風機采用隔振基礎處理。另外在風道連接上采用軟管，減少震動傳遞。

信息產業部電信研究院3G實驗樓

信息產業部電信研究院3G手機模擬環境實驗樓又是和前兩個項目完全不同的科研建筑類型。該項目是國家第三代移動通信技術研究、試驗、認證基地，是展示國家現代通信前沿技術的重要場所，總建筑面積25864m²，地上10層，地下3層。3G實驗樓主要以計算機模擬環境機房為主，對于試驗環境來說，除了防靜電和個別機房恒溫、恒濕的要求以外，沒有特殊的要求。在人員辦公區，我們進行了大膽的嘗試。

項目位于市區內，用地比較緊張，加之北側有日照間距要求，建筑整體進深較大，內部空間環境較差。為了解決這一問題，在方案中，1～4層是三跨的進深，到5層及以上，中間一跨作為共享中庭直通室外，中庭采用電動開啟玻璃屋頂。這個方案在科研建筑的傳統模式上進行了突破，把商業建筑、辦公建筑中常用的中庭手法引入到科研建筑當中，使原本大進深的不良室內環境得到了徹底改善。這個方案不僅使中庭兩側研究室都得到了充足的自然通風和采光，并且因為有了可開啟的天窗，改善了室內的空氣質量和熱工環境，降低了空調能耗?？蒲腥藛T置身其中，更能享受空間變化所帶來的樂趣。該項目已于2006年5月動工，更多的細節設計正在完善中(圖27)。

在這些實踐當中，我們逐漸認識到，科研建筑設計手法是多種多樣的，可以從室外環境人手，也可以從室內空間入手，可以繼續推敲科研人員在工作中的尺度、行為模式等等，但歸根到底還是要真正了解科研人員的需求，貼近科研人員日常的工作，聆聽科研人員的訴說，不落下每一個細節，使“關愛科研人員，以科研人員為本”不成為一句空話。這樣的設計才能塑造出環境真正宜人的科研建筑空間，在這樣的環境下才能更好地激發科研人員的工作熱情和創造力。

作者：劉衛鋼，北京市建筑設計研究院3A2工作室

收稿日期：2006年10月